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中国科大等实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠 2020-02-14

  中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中国科学院上海微系统与信息技术研究所合作,在量子中继与量子网络方向取得突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术,成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来,为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际学术期刊《自然》上。
  构建全球化量子网络并在此基础上实现量子通信是量子信息研究的目标之一,国际学术界广泛采用的量子通信网络发展路线是通过基于卫星的自由空间信道来实现广域大尺度覆盖,通过光纤网络来实现城域及城际的地面覆盖。然而受限于光信号在光纤内的指数衰减,最远的点对点地面安全通信距离仅为百公里量级。将远距离点对点传输改为分段传输,并采用量子中继技术进行级联,有望进一步大幅拓展安全通信距离,并使得构建全量子网络成为可能。
  量子网络是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
  量子通信融合了现代物理学和光通信技术研究的成果,由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性。量子密钥分发根据所利用量子状态特性的不同,可以分为基于测量和基于纠缠态两种。基于纠缠态的量子通信在传递信息的时候利用了量子纠缠效应,即两个经过耦合的微观粒子,在一个粒子状态发生变化时,另一个会立刻发生相应的变化。
  然而,受限于光与原子纠缠亮度低、原子存储器波长与通信光纤不匹配和远程单光子干涉等技术瓶颈,此前最远光纤量子中继仅为公里量级。针对上述技术难题,团队主要在三方面开展了技术攻关:首先,采用环形腔增强技术来提升单光子与原子系综间耦合,并优化光路传输效率,将此前的光与原子纠缠的亮度提高了一个数量级;其次,由于原子存储器对应的光波长在光纤中的损耗约为3.5dB/km,在50公里光纤中光信号将衰减至十亿亿分之一(10^-17.5),使得量子通信无法实现,团队自主研发周期极化铌酸锂波导,通过非线性差频过程,将存储器的光波长由近红外(795 nm)转换至通信波段(1342 nm),经过50公里的光纤仅衰减至百分之一以上,效率相比之前提升了16个数量级;最后,为实现远程单光子干涉,团队设计并实施了双重相位锁定方案,成功地把经过50公里光纤的传输后引起的光程差控制在50nm左右。
  远程量子纠缠是实现长程量子通信、分布式量子计算及量子精密计量等的核心资源。但由于光子在光纤中随距离呈指数损耗,量子纠缠分配的距离被限制在百公里量级。受限于光源、存储器及探测器的效率等因素,量子网络预期传输速率非常低。提升传输速率的重要手段有两种,即对量子态进行高维编码,或者使用多模式量子存储器,但研究进展并不如意。
  在前期研究的基础上,李传锋等人利用光的轨道角动量进行编码,首次研制出窄带高维纠缠光源,然后将此纠缠源存入固态量子存储器中,结果显示三维纠缠态的存储保真度达到99.1%。
  研究团队将以上技术相结合,最终实现了经由50公里光纤传输的双节点纠缠,并演示了经由22公里外场光纤的双节点纠缠。该工作得到《自然》审稿人的高度评价:“该结果是非常杰出的,向实现量子中继方向迈出了重要一步”。当前实验中两台量子存储器位于同一间实验室内,团队接下来将通过发展独立激光的相位同步等技术来实现真正远距离分开的双节点实验。上述工作与该团队之前实现的多节点纠缠技术(Nature Photonics, 13, 210, 2019)、基于里德堡的确定性纠缠技术(Phys. Rev. Lett. 123, 140504, 2019),以及百毫秒存储技术(Nature Photonics. 10, 381, 2016)等相结合,有望推动量子中继和全量子网络的实验研究。

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